El oxígeno (O) es un elemento químico no metálico del grupo 16 (VIa) de la tabla periódica. Es un gas incoloro, inodoro e insípido que es esencial para los organismos vivos: animales que lo convierten en dióxido de carbono y plantas que usan CO2 como fuente de carbono y devuelven O 2 en la atmósfera. El oxígeno forma compuestos al reaccionar con casi cualquier otro elemento, y también desplaza a los elementos químicos para que no se unan entre sí. En muchos casos, estos procesos van acompañados de la liberación de calor y luz. El compuesto de oxígeno más importante es el agua.
Historial de descubrimientos
En 1772, el químico sueco Carl Wilhelm Scheele demostró por primera vez el oxígeno calentando nitrato de potasio, óxido de mercurio y muchas otras sustancias. Independientemente de él, en 1774, el químico inglés Joseph Priestley descubrió este elemento químico por descomposición térmica del óxido de mercurio y publicó sus hallazgos ese mismo año, tres años antes de la publicación. Scheele. En 1775-1780, el químico francés Antoine Lavoisier interpretó el papel del oxígeno en la respiración y la combustión, rechazando la teoría del flogisto generalmente aceptada en la época. Observó su tendencia a formar ácidos cuando se combina con varias sustancias y nombró al elemento oxygène, que en griego significa "que produce ácido".
Prevalencia
¿Qué es el oxígeno? Formando el 46% de la masa de la corteza terrestre, es su elemento más común. La cantidad de oxígeno en la atmósfera es del 21 % en volumen y en peso en el agua de mar es del 89 %.
En las rocas, el elemento se combina con metales y no metales en forma de óxidos, que son ácidos (por ejemplo, azufre, carbono, aluminio y fósforo) o básicos (sales de calcio, magnesio y hierro), y como compuestos similares a sales que pueden considerarse formados a partir de óxidos ácidos y básicos tales como sulfatos, carbonatos, silicatos, aluminatos y fosfatos. Aunque son numerosos, estos sólidos no pueden servir como fuentes de oxígeno, ya que romper el enlace de un elemento con los átomos metálicos consume demasiada energía.
Características
Si la temperatura del oxígeno es inferior a -183 °C, se convierte en un líquido azul pálido y, a -218 °C, en sólido. Pure O2 es 1,1 veces más pesado que el aire.
Durante la respiración, los animales y algunas bacterias consumen oxígeno de la atmósfera y devuelven dióxido de carbono, mientras que durante la fotosíntesis, las plantas verdes en presencia de la luz solar absorben dióxido de carbono y liberan oxígeno libre. Casitodo el O2 en la atmósfera es producido por la fotosíntesis.
A 20 °C, aproximadamente 3 partes en volumen de oxígeno se disuelven en 100 partes de agua dulce, algo menos en agua de mar. Esto es necesario para la respiración de los peces y otras formas de vida marina.
El oxígeno natural es una mezcla de tres isótopos estables: 16O (99,759 %), 17O (0,037 %) y18O (0,204%). Se conocen varios isótopos radiactivos producidos artificialmente. El más longevo de estos es 15O (con una vida media de 124 s), que se utiliza para estudiar la respiración en mamíferos.
Alótropos
Una idea más clara de lo que es el oxígeno, permite obtener sus dos formas alotrópicas, diatómica (O2) y triatómica (O3 , ozono). Las propiedades de la forma diatómica sugieren que seis electrones se unen a los átomos y dos permanecen desapareados, lo que provoca el paramagnetismo del oxígeno. Los tres átomos de la molécula de ozono no están en línea recta.
El ozono se puede producir según la ecuación: 3O2 → 2O3.
El proceso es endotérmico (requiere energía); la conversión de ozono de nuevo en oxígeno diatómico se ve facilitada por la presencia de metales de transición o sus óxidos. El oxígeno puro se convierte en ozono mediante una descarga eléctrica incandescente. La reacción también se produce tras la absorción de luz ultravioleta con una longitud de onda de unos 250 nm. La ocurrencia de este proceso en la atmósfera superior elimina la radiación que podría causardaños a la vida en la superficie de la Tierra. El olor acre del ozono está presente en espacios cerrados con equipos eléctricos chispeantes como generadores. Es un gas azul claro. Su densidad es 1,658 veces la del aire y tiene un punto de ebullición de -112°C a presión atmosférica.
El ozono es un agente oxidante fuerte, capaz de convertir el dióxido de azufre en trióxido, el sulfuro en sulfato, el yoduro en yodo (proporcionando un método analítico para evaluarlo) y muchos compuestos orgánicos en derivados oxigenados como aldehídos y ácidos. La conversión de los hidrocarburos de los gases de escape de los automóviles en estos ácidos y aldehídos por el ozono es lo que causa el smog. En la industria, el ozono se utiliza como agente químico, desinfectante, tratamiento de aguas residuales, purificación de agua y blanqueo de tejidos.
Cómo obtener métodos
La forma en que se produce el oxígeno depende de la cantidad de gas necesaria. Los métodos de laboratorio son los siguientes:
1. Descomposición térmica de algunas sales como el clorato de potasio o el nitrato de potasio:
- 2KClO3 → 2KCl + 3O2.
- 2KNO3 → 2KNO2 + O2.
La descomposición del clorato de potasio es catalizada por óxidos de metales de transición. El dióxido de manganeso (pirolusita, MnO2) se usa a menudo para esto. El catalizador reduce la temperatura necesaria para generar oxígeno de 400 a 250 °C.
2. Descomposición por temperatura de óxidos metálicos:
- 2HgO → 2Hg +O2.
- 2Ag2O → 4Ag + O2.
Scheele y Priestley utilizaron un compuesto (óxido) de oxígeno y mercurio (II) para obtener este elemento químico.
3. Descomposición térmica de peróxidos metálicos o peróxido de hidrógeno:
- 2BaO + O2 → 2BaO2.
- 2BaO2 → 2BaO+O2.
- BaO2 + H2SO4 → H2 O2 + BaSO4.
- 2H2O2 → 2H2O +O 2.
Los primeros métodos industriales para separar el oxígeno de la atmósfera o para producir peróxido de hidrógeno dependían de la formación de peróxido de bario a partir del óxido.
4. Electrólisis del agua con pequeñas impurezas de sales o ácidos, que proporcionan la conductividad de la corriente eléctrica:
2H2O → 2H2 + O2
Producción industrial
Si es necesario obtener grandes volúmenes de oxígeno, se utiliza la destilación fraccionada del aire líquido. De los principales componentes del aire, tiene el punto de ebullición más alto y, por lo tanto, es menos volátil que el nitrógeno y el argón. El proceso utiliza el enfriamiento del gas a medida que se expande. Los pasos principales de la operación son los siguientes:
- el aire se filtra para eliminar las partículas;
- la humedad y el dióxido de carbono se eliminan por absorción en álcali;
- el aire se comprime y el calor de la compresión se elimina mediante procedimientos normales de enfriamiento;
- luego entra en la bobina ubicada encámara;
- parte del gas comprimido (a una presión de unas 200 atm) se expande en la cámara, enfriando el serpentín;
- el gas expandido regresa al compresor y pasa por varias etapas de expansión y compresión posteriores, lo que da como resultado un líquido a -196 °C el aire se vuelve líquido;
- líquido se calienta para destilar los primeros gases inertes ligeros, luego queda el nitrógeno y el oxígeno líquido. El fraccionamiento múltiple produce un producto lo suficientemente puro (99,5 %) para la mayoría de los fines industriales.
El
Uso industrial
La metalurgia es el mayor consumidor de oxígeno puro para la producción de acero con alto contenido de carbono: elimine el dióxido de carbono y otras impurezas no metálicas de forma más rápida y sencilla que utilizando aire.
El tratamiento de aguas residuales con oxígeno promete tratar los efluentes líquidos de manera más eficiente que otros procesos químicos. La incineración de residuos en sistemas cerrados que utilizan O2.
. puro es cada vez más importante
El llamado oxidante de cohetes es oxígeno líquido. Puro O2 Utilizado en submarinos y campanas de buceo.
En la industria química, el oxígeno ha reemplazado al aire normal en la producción de sustancias como acetileno, óxido de etileno y metanol. Las aplicaciones médicas incluyen el uso del gas en cámaras de oxígeno, inhaladores e incubadoras para bebés. Un gas anestésico enriquecido con oxígeno proporciona soporte vital durante la anestesia general. Sin este elemento químico, una serie deIndustrias que utilizan hornos de fusión. Eso es el oxígeno.
Propiedades químicas y reacciones
La alta electronegatividad y afinidad electrónica del oxígeno son típicas de los elementos que exhiben propiedades no metálicas. Todos los compuestos de oxígeno tienen un estado de oxidación negativo. Cuando dos orbitales se llenan de electrones, se forma un ion O2-. En los peróxidos (O22-) se supone que cada átomo tiene una carga de -1. Esta propiedad de aceptar electrones por transferencia total o parcial determina el agente oxidante. Cuando un agente de este tipo reacciona con una sustancia donadora de electrones, su propio estado de oxidación se reduce. El cambio (disminución) en el estado de oxidación del oxígeno de cero a -2 se llama reducción.
En condiciones normales, el elemento forma compuestos diatómicos y triatómicos. Además, hay moléculas de cuatro átomos altamente inestables. En la forma diatómica, dos electrones desapareados están ubicados en orbitales no enlazantes. Esto se confirma por el comportamiento paramagnético del gas.
La intensa reactividad del ozono se explica a veces por la suposición de que uno de los tres átomos se encuentra en un estado "atómico". Al entrar en la reacción, este átomo se disocia de O3, dejando oxígeno molecular.
La molécula O2 es débilmente reactiva a temperaturas y presiones ambientales normales. El oxígeno atómico es mucho más activo. La energía de disociación (O2 → 2O) es significativa yes 117,2 kcal por mol.
Conexiones
Con los no metales como el hidrógeno, el carbono y el azufre, el oxígeno forma una amplia gama de compuestos unidos covalentemente, incluidos los óxidos de los no metales como el agua (H2O), dióxido de azufre (SO2) y dióxido de carbono (CO2); compuestos orgánicos tales como alcoholes, aldehídos y ácidos carboxílicos; ácidos comunes como el carbónico (H2CO3), sulfúrico (H2SO4) y nitrógeno (HNO3); y sales correspondientes como sulfato de sodio (Na2SO4), carbonato de sodio (Na2 CO 3) y nitrato de sodio (NaNO3). El oxígeno está presente en forma de ion O2- en la estructura cristalina de los óxidos metálicos sólidos, como el compuesto (óxido) de oxígeno y calcio CaO. Los superóxidos metálicos (KO2) contienen el ion O2-, mientras que los peróxidos metálicos (BaO2), contienen el ion O22-. Los compuestos de oxígeno tienen principalmente un estado de oxidación de -2.
Características básicas
Finalmente enumeramos las principales propiedades del oxígeno:
- Configuración electrónica: 1s22s22p4.
- Número atómico: 8.
- Masa atómica: 15.9994.
- Punto de ebullición: -183,0 °C.
- Punto de fusión: -218,4 °C.
- Densidad (si la presión de oxígeno es de 1 atm a 0 °C): 1,429 g/l.
- Estados de oxidación: -1, -2, +2 (en compuestos con flúor).
